Nach Hause kommen: Wiedereintritt

Jeder Astronaut kommt auf die gleiche Weise nach Hause: indem er Geschwindigkeit in Wärme umwandelt. Eine aus der Umlaufbahn eintreffende Kapsel trägt pro Kilogramm genug Energie, um ihr eigenes Gewicht mehrfach in Stahl zu schmelzen. Die ganze Kunst des Wiedereintritts besteht darin, diese Energie langsam genug loszuwerden, um zu überleben, und schnell genug, um nicht wieder in den Weltraum zurückzuprallen.

Die Motoren starten den Fall. Die Luft macht das Bremsen.

Look

1. Die Deorbitierung verbrennt. Rückwärts gerichtet, zündet die Kapsel für einige Minuten ihren Motor an und verlangsamt sich um etwa 100 m/s. Das senkt die andere Seite seiner Umlaufbahn in die Atmosphäre ab.
2. Entry interface, about 120 km up. Die Kapsel trifft auf die ersten dünnen Luftspuren, die sich noch mit etwa 7,8 km/s bewegen.
3. Der Feuerball. Die Luft vor dem Hitzeschild wird so stark zusammengedrückt, dass sie zu glühendem Plasma wird, Tausende von Grad heiß. Funksignale können für einige Minuten nicht durchdringen. Der Hitzeschild verkohlt langsam und bricht ab, wobei er die Wärme mitnimmt.
4. Der Korridor. Bei der Rückkehr vom Mond mit 11 km/s muss der Einstiegswinkel auf einen Bruchteil eines Grads genau sein: zu steil und die Verzögerung würde die Crew zerquetschen, zu flach und die Kapsel gleitet aus der Luft wie ein Stein aus dem Wasser.
5. Fallschirme. Unterhalb von etwa 10 km fällt die Kapsel mit einigen hundert km/h. Fallschirme öffnen sich, und es landet mit wenigen Metern pro Sekunde.

Understand

Aus einer 400 km Kreisbahn (r = 6.778 km) beträgt die Geschwindigkeit 7,67 km/s. Eine Ellipse, deren Tiefpunkt 50 km oben liegt, hat a = 6.603 km, und bei 400 km muss ihre Geschwindigkeit 7,57 km/s betragen. Der Deorbit-Burn ist die Differenz: etwa 102 m/s, nur 1,3% der Umlaufgeschwindigkeit.

Die Widerstandskraft beträgt ½ ρ v² C_D A. Die Luftdichte ρ halbiert sich etwa alle 5 km des Abstiegs (Skalahöhe ca. 7,2 km), so dass die Verzögerung steil ansteigt, ihren Höhepunkt erreicht und wieder abfällt, wenn die Kapsel langsamer wird. Im obigen Modell:

Entry	Speed	Winkel	Maximale Verzögerung
Aus niedriger Umlaufbahn	7,85 km/s	1.5°	ca. 8 g
Vom Mond, zu steil	11 km/s	8°	ca. 31 g
Vom Mond, im Korridor	11 km/s	5.6°	ca. 7 g
Vom Mond, zu flach	11 km/s	4.8°	Springt zurück heraus

Echte Kapseln fliegen mit einem kleinen Lift (ihr Schwerpunkt ist versetzt, so dass sie geneigt fliegen) und rollen um es zu lenken, was den Peak auf etwa 4 g für eine Sojus senkt und den Apollo-Korridor auf etwa 2 Grad erweitert.

Master

Das Modell integriert die planaren Gleichungen der Bewegung nur mit Schwerkraft und Widerstand:

dv/dt = −μ r/|r|³ − (ρ(h) |v| / 2β) v,   ρ(h) = ρ₀ e^(−h/H)

mit β = m/(C_D A) = 350 kg/m² (kapselartig) und H = 7,2 km. Allen und Eggers (1958) zeigten, dass für einen steilen ballistischen Eintritt die maximale Verzögerung nahezu unabhängig von β ist:

a_max ≈ v_E² sin γ / (2 e H)

Für den steilen Mondfall (γ = 8°) ergibt es etwa 44 g; die vollständige Simulation gibt 31 g, weil die Schwerkraft die Bahn immer flacher macht, während die Kapsel absinkt. In jedem Fall ist es der Einstiegswinkel, nicht die Größe des Raumschiffs, der die g-Last bestimmt. Deshalb fliegt jedes zurückkehrende Raumschiff einen präzisen Korridor.